Présentation des procédés de désalinisation de l’eau de mer

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La distillation à plusieurs effets

La distillation à plusieurs effets (figure 13) se produit dans une série d’évaporateurs et utilise leprincipe de réduction de la pression dans les cellules qui permet la vaporisation de l’eau de mer sans fournir de chaleur supplémentaire après le premier effet (Khawajia et al., 2008). L’eau de mer est chauffée dans le premier corps d’évaporation par destubes alimentés par la vapeur d’une source extérieure. La vapeur émise par ébullitiondans ce corps (effet) sert à évaporer l’eau dans le deuxième corps. La vapeur dechauffe condensée dans le premier corps est récupérée sous forme d’eau douce à lasortie du deuxième corps. Cette opération est répétée dans plusieurs effets (de 4 à 21).
Q = me cPΔT + ms ΔHvap/
Q : consommation d’énergie de la distillation à plusieurs effets (Joules) ;
n : nombre d’effets ; me et ms : respectivement masse d’eau de mer admise et masse d’eau douceproduite (kilogramme);
cp : chaleur spécifique de l’eau de mer (kilocalories) ;
ΔT : écart entre la température d’ébullition et la température de l’eau mer à l’entrée de l’enceinte (degrés Celsius) ;
ΔH vap : chaleur de vaporisation moyenne de l’eau dans les différents corps (kilocalories).
Dans une unité de désalinisation par distillation à plusieurs effets, la vapeur émise peutêtre comprimée pour produire une chaleur suffisante à l’évaporation. Deux méthodessont utilisées : la compression mécanique et la thermo-compression.
Dans le cas où aucune source extérieure de chaleur n’est disponible, la vapeurproduite dans le dernier corps est comprimée dans un compresseur centrifuge etalimente le serpentin du premier corps. C’est la compression mécanique.
Dans le procédé par thermo-compression, un apport de vapeur à la pression de 30 bars est requis. Cet apport de vapeur alimente un éjecteur à vapeur qui permet d’aspirer la vapeurproduite dans le dernier corps. Les deux vapeurs sont mélangées et sortent del’éjecteur avec une pression plus élevée. La vapeur obtenue est alors alimentée dans leserpentin du premier corps. La thermo-compression permet ainsi d’abaisser la consommation d’énergie en récupérant l’enthalpie de vaporisation de la vapeurproduite dans le dernier corps.La température maximale de fonctionnement d’une unité de distillation à plusieurs effets se situe entre 60 et 63°C, ce qui réduit la vitesse de corrosion et permet l’utilisationd’aciers inoxydables standards (Danis, 2003).

Distillation à détentes étagées

Dans le procédé de distillation à détentes étagées (figure 14), la vaporisation de l’eau de mer est obtenue par une succession de réduction de pression dans chaque étage. L’eau salée est tout d’abord chauffée puis introduite dans une première chambre à basse pression, de sorte qu’une partie est instantanément vaporisée. La vaporisation d’une partie de l’eau produit une diminution de température de la solution restante. Cette solution est introduite dans la chambre suivante à pression plus réduite et le processus est ainsi répété dans plusieurs étages (50 étages peuvent être installés dans une usine). La vapeur produite est refroidie par échange de chaleur avec l’eau de mer d’alimentation et condensée sous forme d’eau désalinisée. Les unités de désalinisation par distillation à détentes successives opèrent à des températures comprises entre 120°C et 90°C, ce qui tend à augmenter la productivité.Pour éviter l’entartrage quiest dû aux ions bicarbonates,l’eau de mer est traitée par l’ajout d’inhibiteur d’entartrage comme des poly phosphates ou bien par neutralisation des bicarbonates avec l’acide sulfurique.La saumure est recyclée dans ce procédé pour réduire le débit de prétraitement del’eau d’alimentation et par conséquent son coût.Cette technique permet d’atteindre de très grandes capacités (supérieures à 25000 m3/j), mais la consommation énergétique est supérieure à celle de la distillationà multiple effet (Danis, 2003).

Osmose inverse

La désalinisation de l’eau de mer par osmose inverse est réalisée en appliquant à la solution à désaliniser, une pression supérieure à la pression osmotique de cette solutionsous l’effet de laquelle l’eau s’écoule à travers une membrane semi-perméable dans ladirection inverse (du compartiment contenant l’eau salée vers le compartiment d’eau douce) (figure 15). Ce procédé est simple, mais pose un vrai problème au niveau del’encrassement des membranes, qui nécessite un prétraitement poussé de l’eau de mer.
Avant le prétraitement chimique, l’eau de mer d’alimentation est filtrée pour retirer les solides en suspension et les particules de dimensions supérieures à 10 microns. Le prétraitementchimique inclut l’addition d’hypochlorite de sodium pour la prévention contre lacroissance des microorganismes, de chlorure ferrique comme floculant, d’acidesulfurique pour l’ajustement du pH, et enfin de bisulfite de sodium pour la réductiondu chlore (Khawajia et al., 2008).La circulation de l’eau de mer à travers les modules d’osmose inverse est assurée pardes pompes à haute pression dont la puissance est donnée par : P pompe= qv .hm /Ŋ
qv : le débit volumique (m3/s) ;
hm : la différence entre pression de refoulement et la pression d’aspiration (Pa) ;
Ŋ : le rendement de la pompe.
La pression de fonctionnement pour l’eau de mer est comprise entre 54 et 80 bars contre une pression osmotique de l’ordre de 25 bars (Buros, 2000).
La plupart des usines d’osmose inverse sont équipées par des systèmes de récupération d’énergie de pression à partir du débit de concentrât sortant à pression élevée. Cette récupération se fait au moyen d’une turbine, qui peut être couplée directement à une pompe d’alimentation des modules ou à un alternateur produisant de l’électricité (Danis, 2003).

Principe de la désalinisation par congélation

La désalinisation par congélation est basée sur le changement de phase liquide-solide de l’eau de mer. Selon la thermodynamique, la glace formée à partir de l’eau de mer est pure. Elle peut être séparée de la solution concentrée, puis fondue afin d’obtenir une eau douce. En pratique, la glace est contaminée par les sels lors de la congélation pour des raisons cinétiques, et par la saumure elle-même pendant la séparation glace-solution ; le procédé doit permettre de minimiser cette contamination. Les opérations unitaires du procédé de désalinisation par congélation sont :
 le prétraitement de l’eau de mer (élimination des solides en suspension,élimination des gaz dissouts pour le procédé sous vide),
 la formation des cristaux de glace à partir de la solution saline (pour le procédé en suspension, des cristaux de grande taille sont souhaités pour faciliter le lavage),
 le lavage et/ou ressuage des cristaux de glace (pour les procédés continus,lavage dans une colonne par environ 5% de l’eau produite),
 la fusion des cristaux de glace.
Le procédé de congélation peut être subdivisé en trois catégories : la congélationprimaire sous vide, la congélation secondaire, et la congélation indirecte (Johnson,1976).

Congélation primaire (sous vide)

Le procédé de ce type est un procédé continu utilisant directement l’eaucontenue dans l’eau de mer comme réfrigérant. A pression réduite, l’eau s’évapore etextrait la chaleur de la saumure, ce qui conduit à une congélation partielle de la solution. Les cristaux formés sont lavés dans une colonne et fondus. Ce procédé nécessite un prétraitement particulier de l’eau de mer qui doit être dégazée pour éliminer l’air dissout.

Congélation secondaire

Cette technique fonctionne en mode continu et utilise un réfrigérant inerte et non miscible avec l’eau de mer. Le réfrigérant froid, sous pression et à l’état liquide, est injecté directement dans l’eau de mer. Sa vaporisation provoque alors le refroidissement de la solution et la formation des cristaux de glace (Maguire, 1987). Les cristaux de glace sont ensuite séparés de la saumure, passent dans la colonne de lavage puis sont envoyés dans le fondoir : il y a alors formation de l’eau douce.
Le réfrigérant de choix est le n-butane qui n’est pas cher, abondant et relativementrespectueux de l’environnement. Des traces du réfrigérant, provenant du contact avecla saumure ou avec les cristaux durant la phase de fusion, peuvent être retrouvés dansle produit final et un système de barbotage à l’air est essentiel dans ce type de procédé.

Congélation indirecte

L’enthalpie nécessaire pour la congélation partielle de l’eau de mer est évacuée partransfert de chaleur indirect à travers une paroi. Le procédé de congélation indirecte peut être opéré en mode continu ou en mode discontinu. Le procédé continu conduit à la formation de cristaux de glace en suspension. Ces suspensions sontobtenues grâce à un ensemencement qui permet d’éviter le dépôt sur la surface froide (Johnson, 1976) ou en raclant le dépôt formé sur la surface froide. Dans les deux cas,les cristaux de glace, en suspension dans la saumure, sont ensuite lavés et fondusrespectivement dans des colonnes de lavage et de fusion. Dans le procédé indirect endiscontinu, une couche de glace est déposée sur la surface solide froide. Les étapes decongélation, de drainage ou ressuage, et de fusion sont réalisées dans le mêmedispositif. La glace formée subit un drainage par une fusion partielle jusqu’à ce que laglace résiduelle soit potable (Curran, 1970). Le procédé par congélation indirecteconduit en mode discontinu présente l’avantage d’être moins complexe que les autres catégories de procédé de congélation.

Conclusion partielle

Ladésalinisation de l’eau de mer est une technique qui permet d’obtenir de l’eau douce (potable ou, plus rarement en raison du coùt, utilisable pour l’irrigation). Il s’agit de retirer les sels ou d’extraire de l’eau douce.
Il est plus simple et plus économique de rechercher des sources d’eau douce à traiter (eaux de surface, telles que lacs et rivières, ou eaux souterraines), que de désaliniser l’eau de mer.
Vue la localisation du projet routier, au bord de la mer, la désalinisation peut être envisagée. Cependant cette technique présente des avantages et des inconvénients :
• Avantages de la désalinisation :
– l’eau de mer est une ressource inépuisable ;
– réduction des coùts de transport.
• Inconvénients de la désalinisation :
– coût énergétique élevé ;
– rejet des saumures concentrées au double de la salinité naturelle en mer ou injectées dans le sol ;
– rejet d’eaux chaudes en mer dans le cas de la distillation ;
– emploi de produits chimiques pour nettoyer les membranes (chlore) ;
– traces de cuivre échappées des installations ;
– aucune législation spécifique n’est disponible concernant la potabilité de l’eau issue de ces traitements.

Présentation des matériaux utilisés

La recherche de matériaux routiers de qualité pour réaliser les différentes couches de la chaussée est une exigence du cahier de charges. Les emprunts doivent être si possible près du chantier pour réduire les coûts de transport. Deux carrières ont été retenues pour l’approvisionnement du chantier en matériaux ; ces carrières se situent dans la région de Thiès.
Il s’agit de la carrière de basaltes de Diack pour les graves concassées et de la carrière de Mont Rolland pour les graveleux latéritiques. Elles sont très sollicitées et assurent l’approvisionnement régulier en matériaux dans les grands projets routiers. Les sables de la plateforme sont des sables dunaires.
La carrière de Mont Rolland se trouve à 73,4 km de la base vie du groupement CCC/CDE, la zone ciblée se trouve à 1,5km de la route de Mont Rolland.
Le plan de localisation des points de sondages et les coupes sont joints en annexe A. Les échantillons prélevés ont été étudiés en laboratoire.

Caractéristiques de l’eau de mer

Les océans recouvrent plus de 70% de la surface de la planète Terre et contiennent 97 % de ses réserves en eau (qui s’élèvent à environ 1.400.106 km3). Une douzaine d’espèces ioniques majeures sont présentes dans l’eau de mer et leur concentration peut varier d’une eau de mer à l’autre, tout en gardant des proportions relatives constantes.
Il ya 30 à 40 grammes de sels dissous pour un kilogramme d’eau de mer. L’eau de mer s’oppose à l’eau doucequi contient moins d’un gramme de sels dissous par kilogramme. La masse volumique de l’eau de mer à la surface est d’environ 1,025 g/ml, supérieure de 2,5 % à celle de l’eau douce (1 g/ml) à cause de la masse du sel et de l’électrostriction. Son Ph varie entre 7,5 et 8,4 pour une moyenne de l’ordre de 8,2.
Il est ainsi possible de caractériser sans ambiguïté les eaux de mer par leur salinité. La salinité moyenne est de 35 g/kg (35 g de sel dans un kg de la solution). Compte tenu de sa composition relative stable et du volume énorme qu’elle représente, l’eau de mer constitue une solution électrolytique originale et mériterait plus d’attention de la part des physico-chimistes.

Salinité

Selon Dittmar citée par Ritch (2011), dans sa première définition donnée en 1902, la salinité de symbole S désignait la masse totale des sels dissous par kilogramme d’eau de mer. Elle était exprimée en g/kg ou‰ (1kgd’eau de mer de salinité 35‰devrait contenir 35 g de sel pour 965 g d’eau pure). La masse totale des sels dissous dans 1 kg d’eau de mer peut varier d’une eau de mer à une autre (plus de 40 g/kg d’eau de mer, en mer Rouge, moins de 10 g/kg dans certaines régions de la mer Baltique). Pour connaître avec précision la salinité de l’eau mer, il faut tout d’abord faire une analyse élémentaire pour déterminer la masse totale de tous les ions quantitativement représentatifs.

Relation entre salinité et chlorinitéSelon la loi de Dittmar, la salinité peut être déduite de la mesure d’un ou de plusieurs constituants majeurs de l’eau de mer.

Les halogènes (le chlore environ 99,7% des halogènes présents, le brome moins de 0,3% des halogènes présents et l’iode à l’état de traces)peuvent être facilement déterminés par la méthode de Mohr. L’eau de mer est titrée par une solution de nitrate d’argent en présence de bichromate de potassium comme indicateur de fin de dosage. Les ions argent précipitent les halogènes comme le montrent les réactions suivantes:
Cl- + Ag+ AgCl (blanc).
r- + Ag+ AgBr (blanc).
Le produit de solubilité du chromate d’argent étant beaucoup plus élevé que celui des halogénures d’argent, aucun précipité de chromate ne se produit en cours de dosage. Mais la première goutte de nitrate d’argent ajoutée en excès, lorsque tous les halogènes ont été précipités, provoque l’apparitiond’un précipité rouge de chromate d’argent : CrO42- + 2Ag+ Ag2CrO4 rouge
D’après Ritch (2011),Knudsen a défini en 1902 la chlorinité comme étant la masse en grammes des halogènescontenus dans1 kg d’eau de mer, les ions bromure et iodure étant remplacés par leur équivalent en chlorure. La chlorinité, symbole Cl, est exprimée en g/kg d’eau de mer ou en ‰. Le passage de la chlorinité à la salinité de l’eau de mer est donné par la relation de l’UNESCO (1962) :
Salinité (g/kg) =1,80655×Cl- (g/kg)

Composition chimique de l’eau de mer

Les proportions relatives des principaux sels restent constantes. Cette propriété est évoquée sous l’appellation de la loi Dittmar ou de principe de Marcel. En pratique il faut retenir comme constituants majeurs ceux qui sont présents en concentration supérieure à 1mg/kg et sont énumérés dans le tableau III.
Le tableau III appelle les remarques suivantes :
– l’ensemble des espèces citées représente plus de 99,9% de la masse totale des espèces dissoutes dans l’eau de mer ;
– le bore est sous forme d’acide borique, acide faible dont le degré de dissociation dépend du Ph mais la somme acide borique et borate est constante ;
– les ions hydrogénocarbonates et carbonates dépendent de l’équilibre acide-base.

Conclusion générale et recommandations

Le malaxage et le compactage des matériaux routiers sont des étapes dans la construction d’une route.Ce présent travail a permis d’étudier le comportement des échantillons de sables dunaires de plateforme et de graveleux latéritiques de Mont Rolland utilisables en couche de fondation. Les différents échantillons ont été malaxés et compactés au laboratoire avec l’eau douce puis l’eau de mer.
Les résultats des essais Proctor Modifié et CBR réalisés avec l’eau douce sont satisfaisants et conformes aux exigences du Cahier des Prescriptions Techniques (CPT).
Avec l’eau de mer, les échantillons de sables dunaires ont une valeur moyenne de masse volumique sèche maximumɣd max égale à 1,6 g/cm3. Les valeurs de l’indice CBR à 95% de l’OPM diminuent mais sont toutes supérieures à 15. Les valeurs de la masse volumique sèche maximum des échantillons de graveleux latéritiques se situent entre 1,95 et 2,08 g/cm3. Les valeurs de l’indice CBR à 95% de l’OPM diminuent mais sont toutes supérieures à 30. L’utilisation de l’eau de mer diminue la portance routière des matériaux étudiés.
La désalinisation de l’eau de mer permet d’obtenir de l’eau douce. Les différents procédés de désalinisation présentent des avantages et des inconvénients.
Au terme de ce travail, nous formulons les recommandations suivantes :
 implanter des forages le long du tracé de la VDN ;
 envisager la désalinisation de l’eau de mer ; l’eau douce peut être utilisée pour l’irrigation et pour l’alimentation en eau des populations.

Table des matières

Introduction générale
Première partie : Présentation du projet et des différentes structures de chaussées routières
Chapitre 1 : Présentation du projet
1.1. Travaux de construction du troisième tronçon de la VDN
1.2. Les intervenants du projet
Chapitre 2 : Différentes structures de chaussées routières
Conclusion partielle
Deuxième partie : Présentation des procédés de désalinisation de l’eau de mer
Introduction
Chapitre 1 : Distillation
1.1. Distillation à plusieurs effets
1.2. Distillation à détentes étagées
Chapitre 2 : Osmose inverse
Chapitre3 : Principe de la désalinisation par congélation
3.1. Congélation primaire
3.2. Congélation secondaire
3.3. Congélation indirecte
Conclusion partielle
Troisième partie: Résultats des essais géotechniques réalisés avec l’eau douce puis l’eau de mer
Chapitre 1 : Présentation des matériaux utilisés
Chapitre 2 : Caractéristiques de l’eau de mer
2.1. La salinité
2.2. Relation entre salinité et chlorinité
2.3. Composition chimique de l’eau de mer
Chapitre 3 : Essais de laboratoires réalisés avec l’eau douce
3.1. Echantillons de sables dunaires de la plateforme
3.2. Echantillons de graveleux latéritiques de Mont Rolland
Chapitre 4 : Essais de laboratoires réalisés avec l’eau de mer
4.1. Echantillons de sables dunaires de la plateforme
4.2. Echantillons de graveleux latéritiques de Mont Roland
Conclusion partielle
CONCLUSIONSGENERALESET RECOMMANDATIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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